Luận văn tốt nghiệp về hệ thống xử lý nước: Nghiên cứu và ứng dụng

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu Luận văn tốt nghiệp hệ thống xử lý cấp nước, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp cụ thể cho vấn đề .

• Tác giả: Dương Chí Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Thái Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Xử Lý Nước Cấp
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bà Rịa – Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam
• 1.1. Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam
• 1.2. Mục đích chọn đề tài
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Giới hạn của đề tài
• 1.5. Các ứng dụng của đề tài
• 1.6. Ý nghĩa của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: Phương án thiết kế hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: Cơ sở lý thuyết
• 4. CHƯƠNG 4: Thiết kế, chế tạo hệ thống
• 5. CHƯƠNG 5: Kết quả và hướng phát triển của đề tài
• 5.1. Kết quả đề tài
• 5.2. Sản phẩm của đề tài
• 5.3. Tính hiệu quả của đề tài
• 5.4. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam

Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn trong việc cung cấp nước sạch cho người dân. Hệ thống xử lý nước hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn và ven biển. Theo TCXDVN 33:2006, tiêu chuẩn cấp nước cho người dân được quy định rõ ràng, nhưng thực tế cho thấy nhiều khu vực vẫn thiếu nước sạch. Công nghệ xử lý nước cần được cải thiện để đảm bảo chất lượng nước. Nguồn nước mặt và nước ngầm đều có những ưu nhược điểm riêng. Nước ngầm thường có độ đục thấp nhưng không thể tái tạo dễ dàng. Ngược lại, nước mặt dễ bị ô nhiễm và cần phải qua nhiều bước xử lý. Việc áp dụng các biện pháp như lọc lắng, hóa học và lý học là cần thiết để đảm bảo nước đạt tiêu chuẩn. Tuy nhiên, quy trình xử lý nước hiện tại vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt là trong việc xử lý nước nhiễm mặn và kim loại nặng.

1.1 Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam

Ngành xử lý nước ở Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu. Các biện pháp xử lý như lọc lắng, hóa học và lý học được áp dụng, nhưng cần có sự kết hợp hiệu quả hơn. Công nghệ lọc màng đang nổi lên như một giải pháp tiềm năng, giúp tách các chất ô nhiễm mà không cần hóa chất. Công nghệ này có thể áp dụng cho nhiều loại nước khác nhau, từ nước mặt đến nước thải. Tuy nhiên, việc triển khai công nghệ này vẫn còn hạn chế, đặc biệt là trong các hệ thống lớn. Cần có sự đầu tư và nghiên cứu để phát triển công nghệ này, nhằm đáp ứng nhu cầu nước sạch cho người dân.

1.2 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Đề tài này nhằm mục đích thiết kế và chế tạo hệ thống xử lý nước với công suất 1000 l/h, sử dụng công nghệ màng siêu lọc và thẩm thấu ngược. Mục tiêu là cung cấp nước sạch cho các khu vực bị nhiễm mặn, hải đảo và miền núi. Giải pháp xử lý nước này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn tiết kiệm chi phí và thời gian. Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc cung cấp nước sạch mà còn góp phần nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Việc áp dụng công nghệ tiên tiến vào thực tiễn sẽ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân.

II. Phương án thiết kế hệ thống

Phương án thiết kế hệ thống xử lý nước được xây dựng dựa trên các tiêu chí về hiệu quả và tính khả thi. Sơ đồ khối điều khiển được đề xuất nhằm tối ưu hóa quy trình xử lý. Hệ thống bao gồm các bộ phận chính như bộ lọc đĩa, màng siêu lọc và màng thẩm thấu ngược. Mỗi bộ phận đều có nguyên lý hoạt động riêng, đảm bảo nước được xử lý đạt tiêu chuẩn. Công nghệ xử lý nước hiện đại giúp giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì. Việc thiết kế mô hình 3D và bản vẽ 2D cũng được thực hiện để dễ dàng hình dung và triển khai. Quy trình vận hành được thiết kế đơn giản, dễ dàng cho người sử dụng.

2.1 Đề xuất sơ đồ khối điều khiển

Sơ đồ khối điều khiển là phần quan trọng trong thiết kế hệ thống xử lý nước. Nó giúp xác định các thành phần chính và mối quan hệ giữa chúng. Sơ đồ này bao gồm các cảm biến, van điện từ và PLC để điều khiển quá trình xử lý. Việc sử dụng PLC Mitsubishi FX2N-48MT giúp tự động hóa quy trình, giảm thiểu sai sót do con người. Hệ thống cũng được trang bị HMI để người dùng dễ dàng theo dõi và điều chỉnh. Sơ đồ khối điều khiển không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình mà còn đảm bảo an toàn cho người vận hành.

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ lọc

Bộ lọc là một trong những thành phần quan trọng trong hệ thống xử lý nước. Cấu tạo của bộ lọc đĩa cho phép loại bỏ các tạp chất lớn, trong khi màng siêu lọc và thẩm thấu ngược giúp loại bỏ các chất ô nhiễm nhỏ hơn. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc dựa trên sự chênh lệch áp suất, giúp nước đi qua màng lọc một cách hiệu quả. Quá trình này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn tiết kiệm năng lượng. Việc thiết kế bộ lọc cần đảm bảo tính bền vững và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

III. Kết quả và hướng phát triển của đề tài

Kết quả của đề tài cho thấy hệ thống xử lý nước đạt hiệu quả cao trong việc cung cấp nước sạch. Các thử nghiệm cho thấy nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT. Hệ thống có khả năng hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc mở rộng quy mô hệ thống và áp dụng công nghệ mới để nâng cao hiệu quả xử lý. Việc nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp xử lý nước sẽ giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dân. Đề tài cũng mở ra cơ hội hợp tác với các tổ chức và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý nước.

3.1 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống xử lý nước hoạt động hiệu quả, với khả năng loại bỏ các tạp chất và vi khuẩn trong nước. Nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn an toàn cho sức khỏe. Các chỉ số về chất lượng nước được kiểm tra định kỳ, đảm bảo hệ thống luôn hoạt động trong điều kiện tốt nhất. Việc áp dụng công nghệ màng giúp nâng cao hiệu quả xử lý, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành. Kết quả này khẳng định tính khả thi của đề tài và mở ra hướng đi mới cho ngành xử lý nước tại Việt Nam.

3.2 Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển của đề tài tập trung vào việc mở rộng quy mô và cải tiến công nghệ. Việc áp dụng các công nghệ mới như lọc nano và thẩm thấu ngược sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về các giải pháp tiết kiệm năng lượng và chi phí. Hợp tác với các tổ chức quốc tế trong lĩnh vực xử lý nước cũng là một hướng đi tiềm năng. Đề tài không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình gia tăng dân số và công nghiệp hóa tại Việt Nam tạo ra áp lực lớn đối với an ninh nguồn nước ngọt phục vụ đời sống sinh hoạt và sản xuất. Tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là các tỉnh ven biển như Bến Tre, tình trạng hạn hán và xâm nhập mặn diễn ra ngày càng sớm và phức tạp từ cuối năm 2019, nguyên nhân bắt nguồn từ biến đổi khí hậu và việc tích trữ nước tại các đập thủy điện thượng nguồn sông Mê Kông.

Các phương pháp xử lý nước truyền thống như lắng - lọc cơ học bộc lộ nhiều hạn chế: chiếm diện tích xây dựng lớn, chi phí vận hành cao, không xử lý triệt để được nguồn nước nhiễm mặn và kim loại nặng (chì, thủy ngân, cadimi, crom, mangan). Trong bối cảnh công nghệ lọc màng tiên tiến chủ yếu mới được áp dụng ở quy mô hộ gia đình, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ này vào các hệ thống cấp nước tập trung quy mô vừa và nhỏ là yêu cầu cấp thiết. Đề tài "Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l/h" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cấp nước sạch cho các khu dân cư nông thôn, vùng hải đảo và khu vực bị xâm nhập mặn.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm 4 nhiệm vụ:

1. Tìm hiểu các hệ thống xử lý nước với công nghệ lọc màng để thiết kế mô hình 3D.
2. Sử dụng kiến thức về thiết kế hệ thống bằng phần mềm Autodesk Inventor và AutoCAD.
3. Tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức để dùng phần mềm GX Developer lập trình điều khiển hệ thống bằng PLC Mitsubishi FX2N.
4. Sử dụng phần mềm VT Designer để lập trình giao diện giám sát và điều khiển trên HMI.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống xử lý nước cấp sử dụng công nghệ màng kết hợp tự động hóa điều khiển. Phạm vi giới hạn của đề tài tập trung vào việc thiết kế kết cấu cơ khí (bản vẽ 2D, mô hình 3D), thiết kế mạch điện điều khiển - động lực, và lập trình điều khiển hệ thống hoạt động ở 2 chế độ: điều khiển bằng tay (Manual) và điều khiển tự động (Automatic).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Nghiên cứu vận dụng các tiêu chuẩn xây dựng và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia của Bộ Xây dựng và Bộ Y tế Việt Nam làm căn cứ tính toán nhu cầu và đánh giá chất lượng nước:

• TCXDVN 33:2006: Quy định tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt theo đầu người cho từng loại đô thị và khu vực dân cư.
• QCVN 02:2009/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt.
• QCVN 01:2009/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống.
• QCVN 01-1:2018/BYT: Quy chuẩn chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt.

Về mặt thủy lực và màng lọc, quá trình truyền khối qua màng siêu lọc (UF) được mô tả theo phương trình Darcy: $$J = \frac{TMP}{\mu R_t}$$ Trong đó $J$ là lưu lượng qua màng (thông lượng), $TMP$ (Transmembrane Pressure) là độ chênh lệch áp suất qua màng, $\mu$ là độ nhớt của dung môi, và $R_t$ là tổng trở kháng của màng và lớp cặn bám. Quá trình lọc thẩm thấu ngược (RO) dựa trên nguyên lý áp dụng áp suất cơ học vượt qua áp suất thẩm thấu tự nhiên để tách phân tử nước khỏi các ion muối hòa tan và tạp chất kích thước lớn hơn 0,0001 µm.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

Đồ án sử dụng phương pháp kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng chuyên ngành, thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình thực nghiệm:

• Kiểm nghiệm thủy lực màng: Ứng dụng phần mềm chuyên dụng WAVE của hãng DuPont để nhập thông số chất lượng nguồn nước cấp đầu vào và kiểm nghiệm khả năng vận hành của màng UF và RO.
• Thiết kế cơ khí và điện: Dùng Autodesk Inventor để mô hình hóa 3D hệ thống; AutoCAD triển khai bản vẽ cơ khí 2D; EPLAN thiết kế sơ đồ nguyên lý tủ điện, mạch động lực và mạch điều khiển.
• Lập trình và tự động hóa: Dùng GX Developer lập trình điều khiển logic bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên vi điều khiển PLC Mitsubishi FX2N-48MT; dùng VT Designer thiết kế giao diện vận hành HMI INVT (mã VT-070).

---

Thiết kế và chế tạo hệ thống

Cấu trúc phần cứng và công nghệ xử lý

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ công nghệ 3 cấp lọc liên hoàn nhằm xử lý nước mặt hoặc nước nhiễm mặn đạt công suất đầu ra 1000 l/h:

1. Giai đoạn lọc thô (Lọc đĩa): Sử dụng 02 bộ lọc đĩa Discfilter 3 inch của hãng DUOLING. Các đĩa lọc có rãnh xếp chồng tạo khe hở giữ lại hạt cặn kích thước lớn hơn 0,1 µm (dải chính xác 20–400 µm). Thiết kế 2 bộ lọc cho phép luân phiên rửa ngược tự động (thời gian rửa 10–20 giây, áp suất $\ge 2,8$ bar) mà không làm gián đoạn dòng chảy.
2. Giai đoạn siêu lọc (UF): Sử dụng 02 màng siêu lọc SFD-2660 của hãng Filmtec/DOW. Màng cấu tạo từ các sợi rỗng vật liệu PVDF, kích thước lỗ rỗng 0,03 µm, kích thước ngoài $4 \times 40$ inch, lưu lượng xử lý 2–6 $\text{m}^3/\text{h}$, dải áp suất 4–100 psi. Nước sau lọc UF loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn, virus, cặn lơ lửng và đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt.
3. Giai đoạn thẩm thấu ngược (RO): Sử dụng 04 màng DOW RO BW30-4040. Cấu tạo màng dạng cuộn tròn gồm 3 lớp (vải polyester, xốp polysulfone và màng lọc polyamide dày 0,2 µm). Áp suất cao đẩy nước qua màng loại bỏ trên 99% muối hòa tan, kim loại nặng và hóa chất, tạo ra nguồn nước đạt tiêu chuẩn ăn uống trực tiếp.

Thiết bị / Thành phần	Thông số kỹ thuật / Model	Chức năng chính trong hệ thống
Bộ lọc đĩa	DUOLING Discfilter 3", lọc $\ge 0,1\ \mu\text{m}$	Lọc thô cặn lơ lửng, cát, rác
Màng siêu lọc (UF)	DOW Filmtec SFD-2660 (sợi rỗng PVDF, lỗ $0,03\ \mu\text{m}$)	Khử khuẩn, vi sinh vật, hạt keo
Màng thẩm thấu ngược (RO)	DOW BW30-4040 (Polyamide, lọc $0,0001\ \mu\text{m}$)	Khử mặn, ion kim loại nặng, TDS
Bơm cấp nước đầu vào	Động cơ điện 220 VAC, công suất 1 HP	Cấp nước nguồn qua lọc đĩa và UF
Bơm rửa ngược UF	Động cơ điện 220 VAC, công suất 1,5 HP	Cung cấp lưu lượng áp lực rửa màng UF
Bơm cao áp RO	Bơm cao áp 220 VAC, công suất 3 HP	Tạo áp suất lớn đẩy nước qua màng RO
Bộ điều khiển PLC	Mitsubishi FX2N-48MT-001 (ngõ ra Transistor)	Điều khiển trung tâm toàn bộ chu trình
Module chuyển đổi A/D	Mitsubishi FX2N-4AD (4 kênh analog)	Thu nhận tín hiệu analog từ cảm biến
Màn hình hiển thị (HMI)	HMI INVT VT-070	Giám sát trạng thái, cài đặt thông số
Cảm biến đo lường	Cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng, TDS, phao điện	Giám sát áp suất lọc, độ tinh khiết và mức bể

Hệ thống điều khiển và giải thuật vận hành

Hệ thống điều khiển trung tâm vận hành bằng nguồn 24 VDC cho PLC và HMI, kết hợp nguồn 220 VAC cho các bơm động lực và van điện từ. Tín hiệu đo từ cảm biến áp suất dạng áp điện trở/dạng tụ và cảm biến TDS được đưa về module FX2N-4AD chuyển đổi thành dữ liệu số cung cấp cho CPU PLC FX2N xử lý.

Hệ thống được thiết kế 2 quy trình vận hành chính:

• Chế độ tự động (Automatic): PLC tự động điều phối các chu trình dựa trên thời gian và tín hiệu cảm biến:
  • Chu kỳ lọc: Hoạt động liên tục từ 20 đến 60 phút.
  • Chu trình rửa khí (Air Scour): Bơm khí từ dưới lên trong 20–40 giây làm tơi cặn bám trên bề mặt màng UF, sau đó xả áp.
  • Chu trình rửa ngược (Backwash): Bơm nước ngược từ lòng sợi màng ra ngoài (trên và dưới) trong 40–60 giây.
  • Chu trình rửa xuôi (Forward Flush): Cấp nước làm sạch hoàn toàn màng trong 30–60 giây.
  • Chế độ rửa hóa chất nâng cao (CEB): Tự động rửa ngược hàng ngày bằng hóa chất HCl 0,1%.
  • Chế độ rửa định kỳ (CIP): Quy trình làm sạch tại chỗ sau 1–3 tháng bằng dung dịch HCl 0,2%.
• Chế độ bằng tay (Manual): Cho phép người vận hành cưỡng bức đóng/ngắt độc lập từng van điện từ, bơm cấp, bơm cao áp hoặc bơm rửa trực tiếp qua các nút bấm ảo trên màn hình HMI VT-070 phục vụ công tác bảo trì, sửa chữa.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về nguồn nước mặt và nước ngầm tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng nước theo Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 33:2006, cùng thực trạng thiếu nước sạch tại miền Tây do xâm nhập mặn. Tác giả so sánh các biện pháp xử lý nước truyền thống (cơ học, hóa học, lý học, bể lắng lọc) với công nghệ lọc màng hiện đại, từ đó xác lập mục tiêu, tính cấp thiết và ý nghĩa nhân văn của đồ án.

Đối tượng dùng nước (theo TCXDVN 33:2006)	Tiêu chuẩn cấp nước (lít/người.ngày)
Thành phố lớn, thành phố du lịch, nghỉ mát, khu công nghiệp lớn	200 – 250
Thành phố, thị xã vừa và nhỏ, khu công nghiệp nhỏ	150 – 200
Thị trấn, trung tâm công - nông nghiệp, công - ngư nghiệp	80 – 120
Nông thôn	25 – 50

Chương 2. Phương án thiết kế hệ thống

Chương 2 đề xuất sơ đồ nguyên lý tổng thể của hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l/h và thiết lập sơ đồ khối điều khiển. Tác giả lựa chọn giải pháp tích hợp 3 cấp lọc (lọc đĩa Duoling 3", siêu lọc Filmtec SFD-2660, thẩm thấu ngược DOW RO BW30-4040), kết hợp hệ thống động lực (bơm 1 HP, 1,5 HP, 3 HP) và hệ thống điều khiển tự động hóa sử dụng PLC Mitsubishi FX2N cùng HMI INVT.

Chương 3. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày chi tiết nguyên lý cấu tạo và cơ chế hoạt động của từng thiết bị trong hệ thống:

• Cấu tạo bộ lọc đĩa và cơ chế rửa ngược tự động bằng chênh áp.
• Cấu tạo màng sợi rỗng UF (vật liệu PVDF), nguyên lý phân tách áp suất theo phương trình Darcy, hiện tượng phân cực nồng độ và các chu trình rửa màng (rửa khí, rửa ngược trên/dưới, rửa xuôi, rửa CEB, rửa CIP).
• Cơ chế thẩm thấu ngược qua màng RO 3 lớp (Polyester, Polysulfone, Polyamide) và lịch sử phát triển màng từ nghiên cứu của Sidney Loeb và John Cadotte.
• Cấu trúc phần cứng PLC Mitsubishi FX2N-48MT (bộ nhớ 8000 bước RAM, thời gian quét lệnh 0,08 µs), module analog FX2N-4AD, màn hình HMI, van điện từ và cảm biến áp suất.

Chỉ tiêu so sánh	Rơle	Mạch số	Máy tính	PLC
Giá thành	Khá thấp	Thấp	Cao	Thấp
Kích thước vật lý	Lớn	Rất gọn	Khá gọn	Rất gọn
Tốc độ điều khiển	Chậm	Rất nhanh	Khá nhanh	Nhanh
Khả năng chống nhiễu	Rất tốt	Tốt	Khá tốt	Tốt
Lắp đặt	Mất thời gian thiết kế và lắp đặt	Mất thời gian	Lập trình phức tạp và tốn thời gian	Lập trình và lắp đặt đơn giản
Điều khiển tác vụ phức tạp	Không	Có	Có	Có
Thay đổi, nâng cấp điều khiển	Rất khó	Khó	Khá đơn giản	Rất đơn giản
Công tác bảo trì	Kém	Kém	Kém	Tốt

Chương 4. Thiết kế, chế tạo hệ thống

Chương 4 là phần nội dung thực nghiệm trọng tâm:

• Tính toán và kiểm nghiệm thủy lực màng UF và RO trên phần mềm chuyên dụng WAVE của DuPont.
• Thiết kế kết cấu khung gá, bố trí thiết bị bằng mô hình 3D trên Autodesk Inventor và xuất bản vẽ 2D trên AutoCAD.
• Thiết kế mạch nguyên lý, tủ điện điều khiển và mạch động lực trên phần mềm EPLAN.
• Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển, lập trình Ladder trên GX Developer và nạp vào PLC FX2N-48MT.
• Thiết kế giao diện đồ họa giám sát vận hành (màn hình cài đặt, màn hình Automatic, màn hình Manual) bằng phần mềm VT Designer và nạp cho HMI VT-070.
• Lắp ráp cơ khí, hàn khung, kết nối đường ống thủy lực, đấu nối tủ điện và thử nghiệm chạy thực tế mô hình.

Chương 5. Kết quả và hướng phát triển của đề tài

Tổng kết các sản phẩm đạt được của đồ án bao gồm mô hình thực tế, hồ sơ bản vẽ thiết kế 2D/3D, chương trình điều khiển PLC và giao diện HMI. Tác giả đánh giá tính hiệu quả kỹ thuật của hệ thống và đề xuất các hướng phát triển nhằm mở rộng công suất và tối ưu hóa hệ thống.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Chế tạo hoàn chỉnh mô hình: Hệ thống xử lý nước cấp hoàn chỉnh đạt công suất thiết kế 1000 l/h, vận hành ổn định qua 3 cấp lọc (lọc đĩa $\rightarrow$ UF $\rightarrow$ RO).
2. Kiểm nghiệm mô phỏng chính xác: Đã tính toán và kiểm nghiệm các thông số lưu lượng, áp suất qua phần mềm chuyên dụng WAVE của DuPont trước khi lắp ráp thực tế.
3. Tự động hóa toàn diện: Thiết kế hoàn chỉnh tủ điện điều khiển (trên EPLAN), lập trình điều khiển tự động toàn bộ quy trình lọc và các bước rửa màng phức tạp (rửa khí, rửa ngược, CEB, CIP) trên PLC Mitsubishi FX2N-48MT kết hợp module FX2N-4AD và giao diện HMI VT-070.
4. Chất lượng nước đầu ra: Nước sau giai đoạn siêu lọc UF đáp ứng tiêu chuẩn nước sinh hoạt theo QCVN 01-1:2018/BYT; nước sau giai đoạn lọc RO loại bỏ triệt để độ mặn và tạp chất hòa tan, đáp ứng tiêu chuẩn nước uống QCVN 01:2009/BYT.

Đóng góp của đề tài

Đề tài đã kết hợp thành công kiến thức chuyên ngành Cơ điện tử (thiết kế cơ khí, điện tử, lập trình điều khiển tự động) với công nghệ xử lý nước bằng màng lọc tiên tiến. Khác với các nghiên cứu xử lý nước lắng lọc cồng kềnh truyền thống hoặc các máy lọc RO gia đình công suất nhỏ, công trình đã xây dựng thành công một giải pháp xử lý nước cấp tập trung công suất $1\ \text{m}^3/\text{h}$ có kích thước nhỏ gọn, tính linh động cao, vận hành tự động và phù hợp để ứng dụng cấp nước khẩn cấp cho các vùng hạn mặn, nông thôn và hải đảo.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Do thời gian thực hiện đồ án có giới hạn và kinh nghiệm thực tiễn của nhóm sinh viên còn hạn chế, hệ thống mới được kiểm thử trên mô hình thử nghiệm tại doanh nghiệp thực tập, chưa triển khai vận hành thử nghiệm dài hạn trong điều kiện môi trường thực tế tại đồng bằng sông Cửu Long.
• Chế độ rửa màng định kỳ CIP (1–3 tháng/lần) vẫn đòi hỏi thao tác kết nối đường ống và vận hành hóa chất thủ công bằng tay chứ chưa tự động hóa hoàn toàn 100%.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp dải công suất đầu ra của hệ thống lên mức lớn hơn phục vụ cho các cụm dân cư quy mô rộng.
• Tích hợp thêm các cảm biến đo kiểm online liên tục (như độ đục, pH, clo dư) và bổ sung các mô-đun khử trùng phụ trợ (đèn UV, sục khí Ozone) vào đường ống sau màng RO để ngăn ngừa tái nhiễm khuẩn.
• Nghiên cứu cơ chế thu hồi năng lượng từ dòng thải áp lực cao của màng RO nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Tham khảo phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh từ phần mềm cơ khí (Inventor, AutoCAD), phần mềm điện tử (EPLAN) đến lập trình PLC (GX Developer) và HMI (VT Designer).
• Sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Môi trường / Xử lý nước: Tham khảo quy trình tính toán, cấu hình thiết bị màng lọc kết hợp (Lọc đĩa - UF - RO), quy trình kiểm nghiệm màng qua phần mềm WAVE của DuPont và các thuật toán rửa ngược, rửa CEB, rửa CIP.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống trong đồ án sử dụng những công nghệ lọc nào và công suất thiết kế là bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng dây chuyền 3 cấp lọc tiên tiến gồm: lọc thô bằng bộ lọc đĩa (Discfilter 3"), màng siêu lọc (UF - sợi rỗng PVDF 0,03 µm) và màng thẩm thấu ngược (RO - polyamide 0,0001 µm). Công suất thiết kế nước thành phẩm đầu ra là 1000 l/h.

2. Tại sao hệ thống lại kết hợp cả màng siêu lọc (UF) và màng thẩm thấu ngược (RO)?
Màng UF có chức năng loại bỏ hoàn toàn cặn lơ lửng, vi khuẩn, virus và các chất keo mà không sinh ra nước thải, cung cấp nước sinh hoạt đạt chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT đồng thời đóng vai trò tiền xử lý bảo vệ màng RO. Màng RO tiếp nhận một phần nước sau UF để loại bỏ muối hòa tan, kim loại nặng, tạo ra nước tinh khiết đạt chuẩn ăn uống trực tiếp QCVN 01:2009/BYT.

3. Quy trình rửa màng siêu lọc UF trong hệ thống được lập trình tự động như thế nào?
PLC tự động điều khiển 4 chế độ rửa chính: rửa khí nén (20–40 giây) làm tơi cặn, rửa ngược bằng nước áp lực từ trong lòng màng ra ngoài (40–60 giây), rửa xuôi (30–60 giây) và rửa ngược tăng cường bằng hóa chất (CEB) hàng ngày với dung dịch HCl 0,1%. Ngoài ra còn có chế độ rửa phục hồi định kỳ (CIP) từ 1–3 tháng/lần bằng dung dịch HCl 0,2%.

4. Khối điều khiển tự động của hệ thống bao gồm những phần cứng và phần mềm nào?
Phần cứng gồm bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX2N-48MT-001, module analog FX2N-4AD, màn hình HMI INVT VT-070, các cảm biến áp suất, lưu lượng, TDS và phao điện. Phần mềm ứng dụng gồm GX Developer (lập trình Ladder PLC), VT Designer (giao diện HMI), EPLAN (thiết kế tủ điện), AutoCAD (bản vẽ 2D), Inventor (mô hình 3D) và DuPont WAVE (kiểm nghiệm màng).

5. Nguồn nước cấp sau khi xử lý qua hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nào?
Nước sau khi xử lý qua màng siêu lọc UF đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sinh hoạt (QCVN 01-1:2018/BYT). Nước sau khi qua màng thẩm thấu ngược RO đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống (QCVN 01:2009/BYT).

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l/h" của sinh viên Dương Chí Tuấn và Trịnh Minh Hiếu (Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu) là công trình nghiên cứu cơ điện tử ứng dụng có tính thực tiễn cao. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn từ khâu tính toán công nghệ lọc màng tiên tiến (Lọc đĩa, UF, RO), kiểm nghiệm bằng phần mềm WAVE, đến thiết kế kết cấu 3D/2D và xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC Mitsubishi FX2N và HMI VT-070. Sản phẩm tạo ra nguồn nước đạt chuẩn sinh hoạt và ăn uống theo quy chuẩn Bộ Y tế, mang lại giải pháp kỹ thuật hữu ích cho người dân tại các khu vực bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn và khan hiếm nước ngọt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam Trước tình hình đô thị hóa ngày càng nhanh chóng ở Việt Nam vì việc đưa nước sạch đến từng hộ gia đình đang là vấn đề cấp thiết. Chương trình cung cấp nước sạch được đưa vào chương trình mục tiêu quốc gia của chính phủ [1], yêu cầu các địa phương phải có kế hoạch hành động cụ thể và thực thi nghiêm túc để đảm bảo cung cấp đủ nước sạch cho người dân. Tình hình cung cấp nước sạch cho cuộc sống sinh hoạt của người dân cũng như cho các hoạt động sản xuất kinh doanh tại Việt Nam trong những năm gần đây đã có những bước tiến triển mạnh mẽ, về cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu của đại bộ phận xã hội.

Tuy nhiên, để có thể đáp ứng được nhu cầu nước sạch cho toàn xã hội, đồng thời đảm bảo quá trình tái tạo nguồn nước ngày càng khan hiếm trong quá trình Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa hiện nay đòi hỏi sự chung tay vào cuộc của các cấp, các ngành có liên quan và của toàn thể xã hội. Theo TCXDVN 33:2006 của Bộ Xây Dựng thì tiêu chuẫn dùng nước theo đầu người đươc quy định như sau: Bảng 1. Tiêu chuẫn cấp nước theo đầu người theo TCXDVN 33:2006 Tiêu chuẩn cấp nước tính theo đầu người Đối tượng dùng nước (ngày trung bình trong năm) 1/người.ngày Thành phố lớn, thành phố du lịch, 200-250 nghỉ mát, khu công nghiệp lớn. Thành phố, thị xã vừa và nhỏ, khu 150-200 công nghiệp nhỏ Thị trấn, trung tâm công - nông 80-120 nghiệp, công - ngư nghiệp.

Nông thôn 25 - 50 1 Luan van Tuy nhiên việc đảm bảo nước sinh hoạt cho người dân, đặc biệt là khu vực đồng bằng Sông Cửu Long gặp nhiều khó khăn khi hằng năm đều bị hạn mặn dẫn đến thiếu nguồn nước sạch để cung cấp. Tình hình xâm nhập mặn ở các tỉnh ven biển miền Tây từ cuối năm 2019 đến nay diễn ra khốc liệt và sớm hơn so với những năm khác nên người dân đang bị thiếu nước sinh hoạt trầm trọng, phải đi mua nước từ xa rất khó khăn. Đó cũng chính là lý do chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l/h”. Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam Nguồn nước trước xử lý để tạo ra nguồn nước sạch cấp cho sinh hoạt, sản xuất thường là nước mặt (ao, hồ, sông, suối.) và nước ngầm (nước dưới đất).

Bảng thống kê dưới đây sẽ cho thấy các đặc điểm thường thấy của các thông số của nguồn nước ngầm, nước mặt trước xử lý: Bảng 1. So sánh các nguồn nước và QCVN 02:2009/BYT Nước ngầm là nguồn nước có nhiều điểm thuận lợi cho việc cung cấp nước sinh hoạt khi có độ đục thấp, nhiệt độ và các thành phần hóa học ít thay đổi. Trong nước ngầm không chứa rong, tảo là các yếu tố dễ gây ô nhiễm nguồn nước nhưng chúng lại chứa các tạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, các quá trình phong hóa, sinh hóa. Nhưng 2 Luan van nhìn chung nước ngầm có các điều kiện thuận lợi cho vấn đề cấp nước nhưng đay lại là nguồn nước không thể tái tạo hoặc khả năng tái tạo hạn chế nên nguồn nước này không được khuyến khích khai thác với trữ lượng lớn.

Hiện này nguồn nước mặt là tài nguyên chính để khai thác phục vụ nước cấp sinh hoạt. Phần lớn các nguồn nước thiên nhiên đều không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng cho các đối tượng dùng nước. Chính vì vậy, trước khi đưa nước vào sử dụng cần phải tiến hành xử lý chúng. Nhìn chung, quá trình xử lý nước cấp chủ yếu sử dụng các biện pháp sau: - Biện pháp cơ học: gồm các công trình như hồ chứa và lắng sơ bộ, song chắn rác, lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc… - Biện pháp hóa học: dùng phèn làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hóa nước, sử dụng chất oxy hóa mạnh, sử dụng clo để khử trùng… - Biện pháp lý học: dùng các tia vật lý để khử trùng nước như tia tử ngoại, sóng siêu âm, điện phân nước biển để khử muối, khử khí CO2 hòa tan trong nước bằng phương pháp làm thoáng.

Trong thực tế, để đạt được mục đích xử lý một nguồn nước nào đó một cách kinh tế và hiệu quả nhất phải thực hiện quá trình xử lý bằng sự kết hợp của nhiều phương pháp. Sự kết hợp các biện pháp xử lý với nhau phải theo một quy trình, một công nghệ thích hợp với các công đoạn xử lý. Mỗi công đoạn được thực hiện bằng các công trình đơn vị khác nhau với các chức năng và cấu tạo khác nhau. Phương pháp được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước cấp hiện nay là lọc lắng.

Nước cấp được bơm tuần tự qua các bể lọc và lắng để xử lý các chất bặn bã trong nước. Lắng là quá trình làm sạch cơ bản trong công nghệ xử lý nước. Nước cần xử lý được đưa vào bể và giữ lại đó trong suốt quá trình làm việc. Nhờ diện tích tiết diện bể lớn, tốc độ dòng chảy nhỏ mà quá trình xảy ra trong bể gần như ở trạng thái tĩnh.

Dưới tác dụng của lực trọng trường, các hạt cặn có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng của nước bao quanh nó sẽ tự lắng xuống. Quá trình lọc nước sau đó được sử dụng để tách các hạt lơ lửng nhỏ và các vi sinh vật không loại được trong quá trình lắng ra khỏi nước. Nước được cho đi qua 3 Luan van lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi sinh vật trong nước. Sơ đồ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức Phương pháp lọc lắng có một vài hạn chế như chưa phù hợp để xử lý nước bị nhiễm mặn và nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng như chì, thủy ngân, cadimi, crom, mangan…Bên cạnh đó, để xây dựng một hệ thống xử lý nước như trên tốn rất nhiều chi phí, thời gian, diện tích trong quá trình xây dựng cũng như vận hành.

Một phương pháp mới ngày càng được áp dụng rộng rãi chính là công nghệ lọc màng. Công nghệ màng là một thuật ngữ chung cho một số quy trình phân tách rất đặc trưng khác nhau. Bộ lọc màng hoạt động như một rào cản để tách các chất gây ô nhiễm khỏi nước hoặc chúng loại bỏ các hạt gây ô nhiễm nước. Thẩm thấu ngược, siêu lọc và lọc nano đều sử dụng màng trong các quá trình lọc khác nhau của chúng.

Các quá trình này là cùng loại, bởi vì trong mỗi chúng, một màng được sử dụng. Màng được sử dụng ngày càng thường xuyên hơn để tạo ra nước xử lý từ nước ngầm, nước mặt hoặc nước thải. Lực lượng chính của công nghệ màng là thực tế là nó hoạt động mà không cần thêm hóa chất, với việc sử dụng năng lượng tương đối thấp và tiến hành quy trình dễ dàng và được sắp xếp tốt. Mục đích chọn đề tài Hiện nay, mặc dù chương trình cung cấp nước sạch đã được thực hiện mạnh mẽ nhưng vẫn chưa đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch sinh hoạt của người dân, đặt biệt là ở khu vực nông thôn, vùng ven biển và hải đảo.

Chúng tôi chọn đề tài với mong muốn đem nước sạch đến cho tất cả mọi người. Hệ thống được thiết kế sử dụng công nghệ màng siêu lọc và thẩm thấu ngược với nhiều ưu điểm như: - Lọc gần như hoàn toàn muối, các kim loại nặng trong nước. - Nước sau khi xử lý qua hệ thống đảm bảo QCVN 01:2009/BYT về nước uống. - Kích thuớc của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên không tốn mặt bằng lắp đặt.

- Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công. - Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất và sử dụng phương pháp lọc cơ học nên không làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước. - Vật liệu của màng lọc không xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết trong suốt quy trình xử lý. - Có thể thay thế được nhiều quá trình hóa lý truyền thống: lọc, chưng cất, trao đổi ion trong quy trình xử lý nước Do công nghệ màng lọc mang lại nhiều hiệu quả nhưng vẫn còn khá mới mẻ và chủ yếu chỉ mới được áp dụng trong các máy lọc nước nhỏ gia đình ở Việt Nam, chưa ứng dụng nhiều cho các hệ thống lớn, đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt cho các khu dân cư.

Với mong muốn ứng dụng những công nghệ tiến tiến trên thế giới vào đề tài này nên tôi chọn đề tài này: - Tìm hiểu và mô hình hóa hệ thống xử lý nước - Kết cấu cơ khí - Giải thuật điều khiển hệ thống. Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu các hệ thống xử lý nước với công nghệ lọc màng để thiết kế mô hình 3D. - Sử dụng kiến thức về thiết kế hệ thống bằng phần mềm Inventor và AutoCad 5 Luan van - Tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức để dung phần mềm GX Designer để lập trình điều khiển hệ thống bằng PLC Mistubishi FX2N - Sử dụng phần mềm VT Designer để lập trình HMI. Giới hạn của đề tài Do ý tưởng thiết kế và thực hiện đề tài còn khá mới mẻ và thời gian thực đề tài tương đối ngắn cùng với việc thi công thiết kế hệ thống xử lý nước cấp, cũng như trình độ chuyên môn của nhóm thực hiện đề tài còn nhiều hạn chế và nhiều yếu tố khác quan khác.

Chúng tôi đã cố gắng hoàn thành bài thuyết minh cũng như mô hình này, nhưng chỉ giải quyết được một số vấn đề chính đặt ra. - Thiết kế kết cấu cơ khí. + Bản vẽ chi tiết 2D của hệ thống xử lý nước cấp. + Mô hình 3D của hệ thống xử lý nước cấp.

- Thiết kế kết nối mạch điều khiển. + Sơ đồ mạch điện điều khiển, vận hành hệ thống. - Viết chương trình điều khiển hệ thống chạy với 2 chế độ: + Chế độ điều khiển bằng tay: Manual + Chế độ điều khiển tự động: Automatics 1. Các ứng dụng của đề tài - Ứng dụng xử lý nước cho các vùng bị nhiễm mặn.

- Ứng dụng xử lý nước cho các vùng hải đảo. - Ứng dụng xử lý nước cho các vùng miền núi.